Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева

Предложен алгоритм оценки состояния климата посредством двухмерной плотности вероятностей аномалий температуры воздуха и количества атмосферных осадков. Доминирующим в районе Киева является климат с нормальной температурой и осадками в пределах нормы, сопровождающийся ростом частоты теплых типов и...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
1. Verfasser:	Ковальчук, Л.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2012
Schriftenreihe:	Доповіді НАН України
Schlagworte:	Науки про Землю
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84788
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева / Л.А. Ковальчук // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2012. — № 11. — С. 120-125. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-84788
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-847882015-07-16T03:02:06Z Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева Ковальчук, Л.А. Науки про Землю Предложен алгоритм оценки состояния климата посредством двухмерной плотности вероятностей аномалий температуры воздуха и количества атмосферных осадков. Доминирующим в районе Киева является климат с нормальной температурой и осадками в пределах нормы, сопровождающийся ростом частоты теплых типов и уменьшением частоты холодных сухих типов климата. Энтропия вероятностей типов климата колеблется в пределах 48–63% климатического хаоса и обнаруживает слабый признак стабилизации климата в области его нормальных состояний. Запропоновано алгоритм оцiнки стану клiмату за допомогою двовимiрної щiльностi ймовiрностей аномалiй температури повiтря та кiлькостi атмосферних опадiв. Домiнуючим у районi Києва є клiмат з нормальною температурою та опадами в межах норми, що супроводжується зростанням частоти теплих типiв i зменшенням частоти холодних сухих типiв клiмату. Ентропiя ймовiрностей типiв клiмату коливається в межах 48–63% клiматичного хаосу i виявляє слабку ознаку стабiлiзацiї клiмату в областi його нормальних станiв. An algorithm for the assessment of climate changes by means of anomalies of two-dimensional probability density of air temperature and precipitation is proposed. The most likely type of climate in the Kiev area is one with normal temperature and precipitation within the climatic norm, the rising probability of warm types, and a decrease in the probability of cold dry climates. The entropy of the probabilities of climate types lies in the range 48–63% of the climate chaos and shows the weak sign of a stabilization of the climate in its normal states. 2012 Article Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева / Л.А. Ковальчук // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2012. — № 11. — С. 120-125. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84788 551.584.5/.6;551.588.7 551.583 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Науки про Землю Науки про Землю
spellingShingle	Науки про Землю Науки про Землю Ковальчук, Л.А. Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева Доповіді НАН України
description	Предложен алгоритм оценки состояния климата посредством двухмерной плотности вероятностей аномалий температуры воздуха и количества атмосферных осадков. Доминирующим в районе Киева является климат с нормальной температурой и осадками в пределах нормы, сопровождающийся ростом частоты теплых типов и уменьшением частоты холодных сухих типов климата. Энтропия вероятностей типов климата колеблется в пределах 48–63% климатического хаоса и обнаруживает слабый признак стабилизации климата в области его нормальных состояний.
format	Article
author	Ковальчук, Л.А.
author_facet	Ковальчук, Л.А.
author_sort	Ковальчук, Л.А.
title	Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева
title_short	Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева
title_full	Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева
title_fullStr	Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева
title_full_unstemmed	Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева
title_sort	оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере киева
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Науки про Землю
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/84788
citation_txt	Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева / Л.А. Ковальчук // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2012. — № 11. — С. 120-125. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Доповіді НАН України
work_keys_str_mv	AT kovalʹčukla ocenivaniesostoâniâmestnogoklimatadvumernymzakonomstatističeskihraspredelenijanomalijtemperaturyvozduhaiatmosfernyhosadkovnaprimerekieva
first_indexed	2025-07-06T11:55:09Z
last_indexed	2025-07-06T11:55:09Z
_version_	1836898487573151744
fulltext	УДК 551.584.5/.6;551.588.7 551.583 © 2012 Л.А. Ковальчук Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева (Представлено членом-корреспондентом НАН Украины В. И. Осадчим) Предложен алгоритм оценки состояния климата посредством двухмерной плотности вероятностей аномалий температуры воздуха и количества атмосферных осадков. До- минирующим в районе Киева является климат с нормальной температурой и осадками в пределах нормы, сопровождающийся ростом частоты теплых типов и уменьшением частоты холодных сухих типов климата. Энтропия вероятностей типов климата ко- леблется в пределах 48–63% климатического хаоса и обнаруживает слабый признак ста- билизации климата в области его нормальных состояний. Актуальность проблемы. Противоречивые предсказания климата обусловлены, прежде всего, отсутствием его строгой теории, разработка которой невозможна без количественного оценивания состояния климата. В то же время решение проблемы заключено в определе- нии климата как “статистического ансамбля” состояний [1] или, что равнозначно, как синтез погодных условий рассматриваемого района, характеризуемого долгосрочными статистиче- скими данными метеорологических элементов или явлений в этом районе [2]. Целью данного исследования является определение состояния местного климата посред- ством многомерного закона статистического распределения его параметров. Для указанного оценивания нет математических ограничений, но неизбежны сложности при интерпретации результатов. Прибегнув к снижению размерности [3], оценивание состояния климата на про- тяжении века осуществлено на основе только двух важнейших его параметров: температуры воздуха и количества атмосферных осадков, для этого привлечена двухмерная плотность вероятности их аномалий. Материал и методика. В качестве экспериментального материала использованы сред- немесячные значения температуры воздуха и месячные суммы осадков в Киеве, полученные Гидрометеорологической службой Украины по результатам стандартных ежедневных наб- людений в синоптические сроки за период с 1900 по 2010 гг. Среднемесячные значения температуры воздуха и месячные суммы осадков были “очи- щены” от детерминированной составляющей: годового хода. Из указанных значений вычи- тались среднемноголетние значения температуры воздуха и месячной суммы осадков соот- ветствующего месяца. Временной ход полученных аномалий рассматривался, как отдельная реализация “нестационарного случайного” климатического процесса. Учитывая принципи- альные трудности в получении других реализаций, образующих “статистический ансамбль”, осуществлен “поток экспериментов” [4], т. е. рассчитаны скользящие двухмерные плотности вероятностей аномалий температуры воздуха и аномалий месячных сумм осадков. Методическая часть исследования включала следующие этапы. 120 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №11 На первом этапе в скользящем режиме были вычислены значения математического ожидания, стандартного отклонения, эксцесса, эксцентриситета временных рядов месячных аномалий температуры воздуха и аномалий месячных сумм осадков. Для скользящей ми- нимизации выборочных флуктуаций статистик использован пятилетний период, что соот- ветствует 60-ти значениям временного ряда. Затем по скользящим пятилетним выборкам была проверена гипотеза о статистической независимости аномалий среднемесячной темпе- ратуры воздуха и аномалий месячных сумм осадков, принятая на 1%-м уровне значимости, что свидетельствует об отсутствии статистически значимой зависимости между аномалия- ми среднемесячной температуры воздуха и аномалиями месячных сумм осадков. На втором этапе проведен анализ статистических распределений скользящих по пяти- леткам месячных аномалий температуры воздуха и аномалий месячных сумм осадков. Уста- новлено, что статистические распределения скользящих пятилетних выборок аномалий тем- пературы воздуха в основном симметричны, а статистические распределения скользящих пятилетних выборок аномалий месячных сумм осадков зачастую усечены слева. Обуслов- лено это тем, что частота, интенсивность и обилие осадков в холодное время года ниже, чем в теплое. В этой связи возник вопрос, какую аналитическую модель выбрать для описания статистических распределений аномалий месячных сумм осадков? Если принять усеченную модель осадков, то будет законсервирован их современный режим, т. е. будет исключена ве- роятность симметрии осадков холодного и теплого времени года, которая возможна вслед- ствие изменений климата. Очевидно, что при увеличении частоты, интенсивности и оби- лия осадков холодного времени года до уровня теплого необходима симметричная модель; так же, как и при уменьшении частоты, интенсивности и обилия осадков теплого времени года до уровня холодного, необходима тоже симметричная модель. Но возможны и такие изменения климата, когда частота, интенсивность и обилие осадков теплого и холодного времени года будут ослабевать и когда периодически в течение месяца осадков не будет. В таком случае современный усеченный закон статистического распределения осадков бу- дет “приобретать” так называемый хвост в области нуля, который будет возрастать по мере усиления засухи. Аналитическое моделирование таких распределений представляет зна- чительные трудности. В этой связи нами принята симметричная модель, а возникающие при этом отрицательные значения ненормированных осадков рассматривались как дефи- цит осадков (единица измерения в мм). Законы статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков по скользящим пятилетним выборкам идентифицированы посредством аналити- ческой модели, описывающей широкий класс выпуклых симметричных экспоненциальных распределений [5]: p(x, τ) = α 2λσΓ(1/α) exp ( − ∣ ∣ ∣ ∣ x−m λσ ∣ ∣ ∣ ∣ α ) , (1) где λ = √ Γ(1/α) Γ(3/α) , Γ(z) — гамма-функция; σ = σ(x) — стандартное отклонение; m = = m(x) — центр распределения; τ — время, α = α(x) — некоторая характеристика рас- пределения, которая однозначно определяет параметр формы экспоненциальных распреде- лений — эксцесс (ε): ε = Γ(1/α)Γ(5/α) (Γ(3/α))2 . (2) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №11 121 Если α < 1, то уравнение (1) описывает распределения, близкие по своим свойствам распределению Коши; α = 1 — представляет распределение Лапласа, имеющее более остро- вершинный вид, чем у нормального распределения; α = 2 — соответствует нормальному распределению; α > 2 — идентифицирует распределения, близкие по своим свойствам к тра- пецеидальным распределениям; α → ∞ — отражает равномерное распределение. На третьем этапе в скользящем режиме были вычислены двухмерные плотности ве- роятностей независимых аномалий температуры и осадков посредством двухмерной экспо- ненциальной модели: p(xt, xo, τ) = αtαo 2λtσtΓ(1/αt)2λoσoΓ(1/αo) exp ( − [ ∣ ∣ ∣ ∣ xt −mt λtσt ∣ ∣ ∣ ∣ αt + ∣ ∣ ∣ ∣ xo −mo λoσo ∣ ∣ ∣ ∣ αo ]) , (3) где t — аномалия температуры воздуха; о — аномалия количества атмосферных осадков. Правомочность использования двухмерной модели (3) для независимых аномалий тем- пературы и осадков обусловлена, прежде всего, различными законами их статистических распределений, что проявляется через различные значения параметров αt и αo, и, кроме того, подтверждена экспериментально: во всех численных экспериментах значения двухмер- ной функции распределения аномалий температуры и осадков были близки к 1. На четвертом этапе размах аномалий температуры воздуха и количества атмосфер- ных осадков были разделены на пять диапазонов: значительно ниже нормы, ниже нормы, норма, выше нормы, значительно выше нормы. В результате было получено 25 различных сочетаний диапазонов аномалий температуры и осадков, которые в дальнейшем рассматри- вались как 25 типов климата от очень холодного и очень сухого до очень теплого и очень влажного. На пятом этапе в скользящем режиме посредством двухмерной функции распределе- ния аномалий температуры и осадков (3), вычисленной согласно с идентифицированным двумерным законом их статистических распределений, были рассчитаны частоты каждого из 25 типов климата. На шестом этапе (для объективной оценки устойчивости климата) была вычислена в скользящем режиме энтропия информации H [6] вероятностей типов климата: H(xt, xo, τ) = − 25 ∑ 1 P (xt, xo, τ) lg[P (xt, xo, τ)]. (4) Результаты исследования и их обсуждение. Динамика значений альфа (парамет- ров формы статистических распределений аномалий температуры и осадков) за период с 1904 по 2010 гг. свидетельствует об их существенных различиях и значительной измен- чивости. Как следствие, двухмерные плотности вероятностей аномалий температуры воз- духа и количества атмосферных осадков различаются также существенно, например, за 1900–1904 гг. и 1977–1981 гг. (рис. 1), что в свою очередь проявляется в динамике частоты типов климата (рис. 2, 3). Наиболее вероятным (0,32–0,55) со слабым положительным трендом (y = 0,001x+0,372) оказался климат с нормальной температурой и осадками в пределах нормы (см. рис. 2). Менее вероятен (0,05–0,22) сухой климат с нормальной температурой, имеющий очень слабый положительный тренд (y = 0,0004x+0,1355). В противофазе к нему меняется веро- ятность (0,01–0,15) теплого климата с нормальной влажностью, также с очень слабым по- ложительным трендом, интенсивность которого возросла в десяток раз (y = 0,003x+0,0335) с 1980 по 2010 гг. 122 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №11 Рис. 1. Двухмерные плотности вероятности p(x) аномалий температуры воздуха (dt) и атмосферных осадков (do) в районе Киева за 1900–1904 гг. (а), 1977–1981 гг. (б ) Рис. 2. Вероятности (0,01–0,55) типов климата в районе Киева: нормально теплый сухой (1 ), нормально теплый нормально влажный (2 ), теплый нормально влажный (3 ), нормально теплый влажный (4 ) На первый взгляд, можно было бы не обращать внимания на типы климата, часто- ты которых меньше 0,01, но их наличие, как правило, определяет степень экстремально- сти климата. Динамика их также свидетельствует о доминирующих тенденциях: напри- мер, вероятность холодного сухого климата (0,03–0,12) убывает с отрицательным трендом (y = −0,0004x+0,0775); также убывает вероятность (0,005–0,06) холодного и влажного кли- мата (см. рис. 3) с очень слабым трендом. Напротив, увеличивается вероятность теплого сухого климата, особенно в течение последних 30 лет (y = 0,0011x ± 0,0113). На протяже- нии 1998–2010 гг. возросла практически вдвое вероятность теплого влажного климата. Не выявлено существенных тенденций в динамике других типов климата. Следовательно, наиболее вероятным является климат с нормальной температурой и осадками в пределах нормы. Менее вероятен сухой климат с нормальной температурой, ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №11 123 Рис. 3. Вероятности (0,002–0,119) типов климата в районе Киева: холодный сухой (1 ), теплый сухой (2 ), холодный влажный (3 ), теплый влажный (4 ) Рис. 4. Энтропия информации вероятностей типов климата в районе Киева (максимальное в данном случае значение H = 1,39794 возможно только при климатическом хаосе) конкурирующий с теплым климатом нормальной влажности, интенсивность которого возросла на порядок за период с 1980 по 2010 гг. Убывают вероятности холодного сухо- го климата и холодного влажного климата. Увеличиваются вероятности теплого сухого климата в течение последних 30 лет, и теплого влажного — в течение последних 10 лет. Возрастание частоты теплых типов климата соответствует глобальной тенденции, а рост нормального и сухого режимов влажности является региональной особенностью. Энтропия вероятностей типов климата колеблется в пределах 48–63% климатического хаоса (рис. 4) и обнаруживает отрицательную тенденцию (y = −0,0008x+0,885), что может рассматриваться как слабый признак стабилизации климата в области его нормальных состояний. Таким образом, двумерный закон статистических распределений аномалий температуры воздуха и количества атмосферных осадков является эффективным инструментом оценки состояния местного климата. 124 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №11 1. Монин А.С. История климата. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1979. – 376 с. 2. Международный метеорологический словарь, № 182. – Женева: Всемир. метеорол. орг-ция, 1992. – 784 с. 3. Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Класси- фикация и снижение размерности. – Москва: Финансы и статистика, 1989. – 607 с. 4. Гихман И.И., Скороход А. В. Теория случайных процессов. Т. 1. – Москва: Наука, 1971. – 664 с. 5. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. – Ленинград: Энерго- атомиздат, 1985. – 248 с. 6. Шеннон К.Э. Работы по теории информации и кибернетике. – Москва: Изд-во иностр. лит., 1963. – 829 с. Поступило в редакцию 26.04.2012Украинский научно-исследовательский гидрометеорологический институт НАН Украины и МЧС Украины, Киев Л.А. Ковальчук Оцiнювання стану мiсцевого клiмату двовимiрним законом статистичних розподiлiв аномалiй температури повiтря та атмосферних опадiв на прикладi Києва Запропоновано алгоритм оцiнки стану клiмату за допомогою двовимiрної щiльностi ймо- вiрностей аномалiй температури повiтря та кiлькостi атмосферних опадiв. Домiнуючим у районi Києва є клiмат з нормальною температурою та опадами в межах норми, що су- проводжується зростанням частоти теплих типiв i зменшенням частоти холодних сухих типiв клiмату. Ентропiя ймовiрностей типiв клiмату коливається в межах 48–63% клi- матичного хаосу i виявляє слабку ознаку стабiлiзацiї клiмату в областi його нормальних станiв. L.A. Kovalchuk Evaluation of the local climate via a two-dimensional statistical distribution of anomalies in air temperature and precipitation by the example of Kiev An algorithm for the assessment of climate changes by means of anomalies of two-dimensional probability density of air temperature and precipitation is proposed. The most likely type of climate in the Kiev area is one with normal temperature and precipitation within the climatic norm, the rising probability of warm types, and a decrease in the probability of cold dry climates. The entropy of the probabilities of climate types lies in the range 48–63% of the climate chaos and shows the weak sign of a stabilization of the climate in its normal states. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №11 125

Оценивание состояния местного климата двумерным законом статистических распределений аномалий температуры воздуха и атмосферных осадков на примере Киева

Institution

Ähnliche Einträge